【安全科学与工程学科建设典型案例】混凝土工程数智施工装备与技术，注能大国土木水利智能建造

我国建筑业占国内生产总值为6.5%，影响力系数达1.22，位居各行业首位，国民经济支柱地位显著。土木水利行业涉及大量混凝土施工建造。截止目前，全国混凝土年需求量已达32亿立方米，产值1.3万亿元。但混凝土施工存在三方面现实问题亟待解决：首先，因原料性能波动大、组成复杂，新拌混凝土生产输运流变性一直缺乏科学可靠指标，导致物料精准控制方法匮乏，严重影响拌和物客观评判。其次，传统工艺落后，人工振捣随机性强、作业质量难控制，过程不可逆致使成型质量缺陷多但却无法根治，施工损失大；尽管数字化振捣工艺馈控技术需求迫切，但因涉及多学科融合与诸多技术门槛，因此应用一直空白。最后，现浇筑工艺仍以人工为主，成本高代价大，随着人口老龄化加速，劳力短缺、作业低效及安全风险日益凸显；但鉴于浇捣工艺复杂独特性，自动化乃至智能装备化作业至今无法实现。综上，每年不少于5%混凝土施工成型质量并未达标。由于成型混凝土缺陷修复费用高，年资源浪费和质量损失远超千亿元。混凝土工程数智施工装备与技术瞄准混凝土智能施工，通过建立混凝土流变动静力学理论和振捣密实评价方法，融合数字智能可视化技术手段，突破了施工数智装备应用难点，实现了精控过程、减少劳力、提升质量、保障安全与提高资源利用，显著推进了混凝土施工数字智能化的建设水平。

（1）从混凝土拌和物生产制备控制技术层面，针对其非均相变特征，构建了符合实用的水泥基拌和物动静力学理论，创建了拌和物流变性态评价体系，运用水膜理论提出了拌和物流变学模型及相关硬化性能参数，研发了智能在线流变仪及新拌混凝土工作性馈控专家系统，破解了搅拌站与施工现场多时空一体的拌和物质量在线检控难题，保障了现场制备运输品质一致可控性。

（2）从现场振捣工艺质量管控技术层面，针对结构混凝土振捣工艺数智-可视化评价馈控体系缺失，依据非线性流固振动能量耗散理论建立了捣棒振动能量传递模型，发现了拌和物振捣能量-密实性分布规律，给出了混凝土振密能量扩散范围，实现了基于能量传递的振捣质量数字量化客观评价；开发了穿戴式人工振捣作业参数智能采集装备，解决了人工振捣混凝土密实效果实时可视馈控难题。

（3）从智能高效施工装备技术应用层面，针对混凝土作业强度大、人工效率低的现实困难，融合机电控制、物联网、云计算、BIM、跟踪定位、工序参数智感处置等多学科交叉技术，以全智能布料振捣工作为目标，研发智能布料振捣集成化装备，建立动态多源异构作业参数及非接触感知通讯方法，最大限度发挥机械智能施工高效优势，配以人工穿戴数字化振捣灵活便捷特点，实现了全局性的浇捣结构-工艺参数-质量数字孪生体，适应了各类复杂结构混凝土数智可视化施工环境需求，在不同典型工程取得显著成效。

技术成果经宜兴铁路预制箱梁工程、徐州刘山北站拆除改造工程、南京苜蓿园大街南下拓宽改造工程、中交二航武汉双柳长江大桥桥塔建设工程、中铁十二局宜兴铁路箱梁预制项目等多项典型重大混凝土结构工程应用证明：研发的设备与提出的理论打通了多学科融合及产业化上下游现有技术壁垒，落地应用可靠，对混凝土行业数字化发展具有重要意义，取得突出社会、经济、环境效益，截止目前累计产生近3000万元直接经济效益。成果技术经多个不同行业专家组鉴定为国际领先水平，并被国内外知名学者高度评价。其中，成果被钟登华院士在《大坝智能建设研究进展》（水利学报，2019年1月刊）一文中引用，同时被国际自动化施工顶级期刊Automation in Construction主编Miroslaw J. Skibniewski在《Automated monitoring and warning solution for concrete placement and vibration workmanship quality issues》（AI in Civil Engineering，2022年1期）一文中引用，均对成果予以认可。同时被列入水利部科技推广中心“2022年度水利先进实用技术重点推广指导目录”。获省部级一等奖1项，二等奖1项。（文、图：孙啸）

图1 混凝土拌和物流变学静动力理论

图2 混凝土拌和物工程现场检控装备技术

图3 混凝土振捣质量数字量化评价模型

图4 人工穿戴式振捣质量实时数字可视化馈控装备与技术

图5 智能化穿戴装备系统

图6 混凝土振捣抹面全工序高效智能装备技术应用

图7 水利部技术推广证书